1材料與方法

1.1供試材料

供試黑藻為水鱉科多年生沉水草本，莖圓柱形，表面具有縱向細(xì)棱紋，質(zhì)較脆。葉多以3～8枚輪生，葉片綠色，線形或長(zhǎng)條形，長(zhǎng)7～17mm、寬約1～1.8mm，常具紫紅色或黑色小斑點(diǎn),先端銳尖，邊緣鋸齒明顯，無柄，具腋生小鱗片和明顯主脈1條。黑藻廣布于亞歐大陸熱帶至溫帶大陸地區(qū)，常見于水溝、沼澤、池塘、湖泊、水庫和河道等靜水或緩流水環(huán)境中，適宜水深為0.5～3.0m。其耐污性和適應(yīng)性強(qiáng)、繁殖快。相對(duì)于同類沉水植物苦草(Vallisneriaspiralis)，黑藻具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在上海地區(qū)分布廣泛，而且對(duì)水體環(huán)境具有很好的指示作用。黑藻目前已被用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料的種植。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在華東師范大學(xué)校園麗娃河邊空曠地進(jìn)行。將黑藻移栽到裝滿河泥的圓柱形托盤(d=60cm,h=10cm)中，放入裝有自來水的試驗(yàn)圓桶(d底部=123cm,d上部=138cm,h=95cm,V=1200L)中培養(yǎng)備用。15天后，托盤中黑藻群落平均高度為30cm，蓋度為70%，鮮質(zhì)量為2kg左右。將1個(gè)試驗(yàn)圓桶中全部注入潔凈自來水，通過繩索固定托盤,放入試驗(yàn)圓桶水體中，調(diào)整托盤中黑藻群落冠層頂端距水面為30cm，測(cè)定黑藻群落光譜反射率，作為試驗(yàn)的對(duì)照。然后通過注入不同體積已測(cè)懸浮物濃度(suspendedmatterconcen-tration,SMC)的麗娃河水，人工調(diào)控水體中的懸浮物濃度。各處理按照懸浮物濃度順序依次為SMC1、SMC2、SMC3、SMC4、SMC5和SMC6，其中SMC1為對(duì)照,不加含有懸浮物的麗娃河水。實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的水體懸浮物濃度分別為2.0、26.7、34.7、42.0、54.0和72.0mg·L-1。

1.3光譜測(cè)定

使用便攜式地物光譜儀，測(cè)定不同懸浮物濃度水體中沉水植物的光譜反射率。光譜儀的波段覆蓋350～2500nm，其光譜分辨率在700nm為3nm，1400nm和2100nm為30nm，采樣間隔在350～1000nm內(nèi)為1.4nm，1000～2500nm內(nèi)為2nm。傳感器探頭全視場(chǎng)角(FOV)為25°。測(cè)定沉水植物光譜反射率前，用黑色棉布貼在試驗(yàn)圓桶的底部和周壁，以消除試驗(yàn)圓桶底部和周壁對(duì)光的反射和吸收。在天空晴朗，氣溫14℃～25℃，陽光幾乎直射的條件下，測(cè)定不同懸浮物濃度條件下的黑藻群落光譜反射率。測(cè)定時(shí)，將探頭垂直置于水面1m之上進(jìn)行光譜采集，每次測(cè)定10個(gè)光譜數(shù)據(jù).每次測(cè)定前，使用白板(反射率為98%)作為漫反射參考板進(jìn)行優(yōu)化，并將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反射率。

1.4懸浮物濃度測(cè)定

水體中懸浮物濃度的測(cè)定采用過濾重量法，濾膜直徑47mm、孔徑0.45μm。40℃條件下烘干過濾前后的濾膜至恒量，差量法計(jì)算懸浮物的質(zhì)量，根據(jù)過濾水樣的體積折算出水體中懸浮物濃度。

1.5數(shù)據(jù)分析

由于沉水植物反射光譜在900nm所受干擾較大，本研究選擇400～900nm波段范圍的光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行水體中不同懸浮物濃度與黑藻群落光譜反射率的相關(guān)分析。根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果和4個(gè)波段范圍(藍(lán)光波段：430～470nm；綠光波段：500～560nm；紅光波段：620～760nm；近紅外波段:760～900nm，應(yīng)用便攜式地物光譜儀攜帶的光譜處理軟件，對(duì)所測(cè)反射光譜進(jìn)行截取與計(jì)算。通過計(jì)算黑藻群落在不同懸浮物濃度條件下的光譜反射率與在對(duì)照水體中光譜反射率的差值，分別得到水體中不同懸浮物濃度在4個(gè)波段的光譜反射率，并進(jìn)一步對(duì)水體中不同懸浮物濃度與其在4個(gè)波段相應(yīng)的光譜反射率進(jìn)行回歸分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同懸浮物濃度條件下的黑藻反射光譜特征

從圖1可以看出,在不同懸浮物濃度條件下,黑藻群落的反射率隨著水體中懸浮物濃度的增加而上升.黑藻群落的光譜反射曲線顯示,黑藻群落在藍(lán)光波段和紅光波段有較強(qiáng)的吸收,形成了兩個(gè)吸收谷。

圖1水體中不同懸浮物濃度條件下黑藻群落的光譜特征

在綠光波段則形成了明顯的反射峰。與典型陸生植被的反射光譜曲線相比,沉水植物黑藻群落在近紅外波段的光譜反射率比在可見光波段光譜反射率要低,沒有形成類似陸生植被在近紅外波段的反射高原區(qū),而是在近紅外波段演變?yōu)閮蓚€(gè)反射峰,分別位于712nm和815nm附近。

2.2水體中懸浮物濃度和懸浮物光譜反射率的回歸分析

對(duì)水體中不同懸浮物濃度與黑藻群落光譜反射率的相關(guān)分析表明，在400～900nm范圍內(nèi)，兩者之間均為顯著相關(guān)(P450nm的波段，兩者之間均為極顯著相關(guān)(P

2.3水體中懸浮物濃度對(duì)黑藻群落反射光譜影響的修正

在藍(lán)光波段、綠光波段、紅光波段和近紅外波段水體中，由于懸浮物濃度與其相應(yīng)的光譜反射率之間均能建立較好的線性關(guān)系，因此可以利用這4個(gè)波段所建立的線性方程對(duì)水體中懸浮物濃度對(duì)黑藻群落的反射光譜影響進(jìn)行修正。

圖2水體中不同懸浮物濃度與黑藻群落光譜反射率的相關(guān)系數(shù)

圖3水體中不同懸浮物濃度與反射光譜之間的回歸分析

在實(shí)際測(cè)量中得到的黑藻群落光譜反射率包括了黑藻群落自身的光譜反射率和水體中懸浮物的光譜反射率兩部分。因此可以利用上述水體中不同懸浮物濃度與其相應(yīng)的光譜反射率的回歸方程,分別修正水體中懸浮物濃度對(duì)黑藻群落反射光譜的影響。

yB=ym-(0.0004x-0.0056)(1)

yG=ym-(0.0009x-0.0119)(2)

yR=ym-(0.001x-0.0188)(3)

yNIR=ym-(0.001x-0.0259)(4)

式中：yB、yG、yR和yNIR分別為在藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外波段，修正后的水體中懸浮物對(duì)黑藻群落影響后的光譜反射率；ym為不同懸浮物濃度條件下黑藻群落在4個(gè)波段的實(shí)測(cè)光譜反射率；x為水體中懸浮物濃度。

3 討論

3.1不同懸浮物濃度條件下的黑藻群落光譜特征

在可見光波段，與陸生植被的反射光譜特征相比，沉水植物黑藻群落在不同懸浮物濃度水體中的反射光譜具有與陸生植被反射光譜類似的光譜特征。其主要表現(xiàn)：在藍(lán)光波段和紅光波段，前者由于植物色素和水體黃色物質(zhì)的吸收，后者由于葉綠素a較強(qiáng)的吸收，分別形成了一個(gè)吸收谷；在綠光波段，由于沉水植物光合色素弱吸收和水體中懸浮物質(zhì)散射的共同作用形成了明顯的綠峰現(xiàn)象。而在近紅外波段，由于水體中懸浮物質(zhì)可能吸附在葉片表面，改變了植物的結(jié)構(gòu)，從而降低了黑藻群落在近紅外波段的光譜反射率。黑藻群落在近紅外波段的光譜反射率要低于可見光波段的反射率，沒有表現(xiàn)出陸生植被反射光譜典型的近紅外高原區(qū)這一獨(dú)有的特征。在紅光波段和近紅外波段，由于水體本身和水體中懸浮物等物質(zhì)對(duì)光的吸收和反射等作用，出現(xiàn)了雙峰的現(xiàn)象。其中，在700nm附近的反射峰是由于水體和葉綠素a的吸收系數(shù)之和在該處為最小所形成的，而在800nm附近的反射峰則是由水體中懸浮物等物質(zhì)對(duì)光的反射所引起的。

3.2不同懸浮物濃度對(duì)黑藻群落反射光譜的影響

專家學(xué)者在分析廈門近海岸懸浮物污染狀況的研究中，利用紅光波段與懸浮物濃度之間的線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著水體中懸浮物濃度的增加，水體的光譜反射率也會(huì)增大本。研究結(jié)果表明，隨著水體中懸浮物濃度的增加，黑藻群落的光譜反射率也呈現(xiàn)相應(yīng)的增加，在400～900nm范圍內(nèi)所有的波段都為顯著相關(guān)(P450nm的波段均為極顯著相關(guān)(P

3.3不同懸浮物濃度對(duì)沉水植物反射光譜影響的修正

水體懸浮物濃度是影響沉水植物光譜特征和遙感監(jiān)測(cè)的重要水環(huán)境因子之一。某學(xué)者利用便攜式光譜輻射計(jì)的實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)，模擬建立了水體光譜反射率的分析模型，較準(zhǔn)確地估算了水體的懸浮物濃度。利用地物光譜儀在巢湖進(jìn)行了光譜測(cè)量和同步水質(zhì)采樣分析，發(fā)現(xiàn)利用單波段反射率建立回歸方程可以估算內(nèi)陸水體中的懸浮物濃度。上述研究探討了水體懸浮物濃度與其對(duì)應(yīng)的光譜反射率之間的定量關(guān)系，并較準(zhǔn)確地估算了水體中懸浮物濃度。因此，利用遙感技術(shù)大尺度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉水植物的分布及動(dòng)態(tài)，需要修正水體中懸浮物濃度對(duì)沉水植物反射光譜特征的影響，研究二者之間的定量關(guān)系。本研究通過實(shí)驗(yàn)分析了不同懸浮物濃度對(duì)黑藻群落反射光譜特征的影響，分別在藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外4個(gè)波段建立了水體中不同懸浮物濃度與黑藻群落光譜反射率之間的定量關(guān)系，從而可以修正水體中不同懸浮物濃度對(duì)沉水植物反射光譜的影響。在實(shí)際應(yīng)用中,可利用地物光譜儀測(cè)定沉水植物蓋度或生物量與其光譜特征的關(guān)系以及對(duì)富含懸浮物水體中沉水植物的反射光譜進(jìn)行修正，消除水體中懸浮物對(duì)沉水植物反射光譜的影響。再結(jié)合遙感影像的解譯、分析和反演,進(jìn)而進(jìn)行大尺度遙感監(jiān)測(cè)沉水植物的分布和動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)然，在野外實(shí)際應(yīng)用中，沉水植物的光譜特征往往還受到水體其他理化特性如水體深度、底質(zhì)、葉綠素濃度等的影響,因此這些因素對(duì)沉水植物反射光譜所產(chǎn)生的影響還有待于進(jìn)一步的研究。

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審核編輯：符乾江